摘 要： 基于磁阻傳感器" title="磁阻傳感器">磁阻傳感器HMC1055的帶姿態補償功能，開發了包含信號放大和置位" title="置位">置位/復位模塊的三維羅盤系統的硬件電路，并提出了干擾校正的軟件算法以適應車內復雜的動態工作環境。
關鍵詞： 磁阻傳感器 HMC1055 導航 磁阻式羅盤
羅盤是一種重要的導航工具，已廣泛應用于飛機和航海導航等領域。一般在飛機和航海導航系統中使用的慣性導航系統由于價格昂貴、結構復雜、導航誤差隨時間累計等原因而不適合車載使用；傳統的羅盤雖然價格便宜，但不能工作于像行駛的汽車這種不穩定的環境中。另外，傳統羅盤不能夠電子輸出，其信號不能集成到汽車的控制系統中，給實現基于精確導航的智能交通帶來了不便。
本文針對以上問題，充分考慮到汽車內部環境的不平穩性以及汽車發動機等對磁場的干擾，利用磁阻傳感器設計了一種車載磁阻式電子羅盤" title="電子羅盤">電子羅盤系統。
1 HMC1055系列各向異性磁阻傳感器
HMC1055系列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器。
HMC1052是一個雙軸線性磁阻傳感器，每個傳感器都有一個由鐵鎳薄膜合金組成的惠思頓橋。當橋路加上供電電壓時，傳感器將磁場強度轉化為電壓輸出。HMC1052包含兩個敏感元件，它們的敏感軸相互垂直，且參數相互匹配。內部電路如圖1所示。
除了惠思頓電橋，HMC1052還有兩個位于芯片上的磁耦合帶：偏置帶和置位/復位帶。兩個敏感元件都有這兩個帶。置位/復位帶用于確保精度；偏置帶用于校正傳感器或偏置任何不想要的磁場。
HMC1051Z為HMC1052的單軸版本，其參數與HMC1052相同。HMC10512內部電路如圖2所示。
MEMSIC MXS3334UL是一個二軸的加速度傳感器，它能夠提供一個用數字表示的重力加速度值。當傳感器被水平放置時，兩個輸出口提供一個100Hz、50%占空比的方波。隨著傳感器的傾斜，它的輸出占空比發生變化[1]。
2 三維電子羅盤總體設計
地球磁場的強度為0.6高斯左右，現有的磁阻傳感器可以很好地測量地磁場范圍內的磁場強度。由于二維羅盤只能在保持水平的情況下正常工作，如果用于車輛的動態環境中，將不可能保證其永遠水平，所以在這種場合下，羅盤的可使用性大大降低。于是需要設計三維羅盤以適應各種姿態的測量。三維電子羅盤的總體設計方案如圖3所示。
三軸" title="三軸">三軸磁阻傳感器分別從X、Y、Z 三個磁場強度方向輸出電壓，經過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉換能力的MCU端口，二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度，測量參數的意義如圖4所示。
將測量出的X、Y、Z、θ、Φ代入式(1)、(2):
XH=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
YH=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
從而得到磁場強度在水平面內的分量(XH、YH)，由式(3)：
方位角Φ=arctan(YH/XH)(3)
就可以計算出方位角Φ的值。
3 三維電子羅盤系統的硬件設計
磁阻式羅盤由五部分組成：三軸磁阻傳感器、二軸加速度傳感器、信號放大電路、置位/復位電路、MCU系統等。
3.1 放大電路的設計
各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進行工作，并且傳感器輸出電壓很小，需要放大才能進行A/D轉換。下面以HMC1052為例進行分析。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強度下，橋路偏置電壓為:
Vo f f =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
最大的磁場擺幅為:
V磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
因此電橋輸出的總擺幅為：
Vout =Vo f f +V磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
經過上面的分析，使用雙運算放大器來設計基本電路，將需要的電壓信號放大以進行A/D轉換。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案。由于Vout=±4.875mV，ADC采樣在0～3V或者1.5±1.5V范圍內，這樣就允許運算放大器調整其增益，以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC范圍內。因此，運算放大器的增益為：
增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
這里將增益化整取值為300。
3.2 置位/復位電路的設計
當受到強磁場干擾時，傳感器磁化極性會受到破壞，傳感器特性也會改變。針對這一破壞性的磁場，需對傳感器敏感元件施加一個瞬態的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性。在HMC1055系列芯片上有一小電流帶，對電流帶施加置位或者復位脈沖就能夠對傳感器置位或者復位。
置位脈沖和復位脈沖對傳感器所起的作用基本是一樣，惟一的區別是傳感器輸出的正負號改變。進行置位或復位，需對復位置位帶施加3～4A、20～50ns的脈沖電流，置位或復位脈沖寬度為2μs。
在HMC1055芯片上，置位/復位片的引腳名稱是S/R+和S/R-，沒有極性的區別，單個置位/復位帶標準阻值為2.0Ω，所以對于三軸系統，三個金屬片串聯阻值為6.0Ω,則產生一個3～4A的最小脈沖驅動一個6Ω的負載所需的供電電壓為18V～24V。由于系統芯片都是使用5V電源，所以需要將5V電壓升壓到20V左右，可以使用MAX662來完成。典型的電路如圖6所示。
得到需要的電壓后，設計圖騰柱式置位復位電路，如圖7所示。圖中SET和RESET可以各連接MCU的一個引腳，當SET為高傳感器時置位；RESET為高電傳感器時復位。
脈沖寬度會對整個電源的消耗造成直接影響，但是由于汽車內干擾比較多，所以建議至少為2次/秒。這樣既可以保證系統的精度，也降低了功耗。
4 系統的干擾校正
由于汽車內環境的特殊性，造成了車載羅盤周圍的干擾比較多，所以設計車載羅盤時需要考慮干擾校正問題。
干擾源可分為硬鐵影響(Hard Iron Effects)和軟鐵影響(Soft Iron Effects)。硬鐵影響源于永久磁鐵和磁化的鋼鐵對磁場引起的變化，如車內發動機、直流電等，這種影響恒定地附加一個磁場分量。軟鐵影響產生于地磁場，受軟鐵材料的影響，如當汽車駛過一個強磁場區時，這種影響往往是瞬時的，而且比較微弱。所以在設計車載羅盤時主要需考慮硬鐵影響對系統的影響[1]。
因為硬鐵影響是恒定的，所以可以采用標定的方法消除干擾。標定的方法為：將車載羅盤在水平面旋轉一周，記錄下X、Y兩個方向的最大和最小值(Xmax、Ymax)、(Xmin、Ymin)，代入式(4)、(5)、(6)、(7)中，可以得到Xo f f 、Yo f f 。
其中,(XR、YR)為經過校正的值，將它們帶入式(3)就可以得到方位角。
本電子羅盤的設計充分考慮了汽車內部的不平穩性以及磁場干擾，采用了抗干擾技術，使系統測量精度得到了提高。由于采用了三軸設計和姿態補償設計方案，使羅盤處于任何姿態時均能正常使用。此外，本系統經過微控制器進行數字輸出，從而可集成于GPS定位系統之中。
參考文獻
1 HMC1055 3-AXIS COMPASS SENSOR SET [EB/OL].霍尼韋爾公司,http://www.honeywell-sensor.com.cn/prodinfo/sensor_magnetic/datasheet/hmc1055.pdf
2 AMR磁阻傳感器車輛檢測和羅盤定向的應用 [EB/OL].霍尼韋爾公司, http://www.honeywell-sensor.com.cn/prodinfo/sensor_magnetic/applications_notes/apn02.pdf
3 用于磁阻傳感器的置位/復位脈沖電路[EB/OL].霍尼韋爾公司,http://www.honeywell-sensor.com.cn/prodinfo/sensor_magnetic/applications_notes/apn05.pdf
4 楊新勇，黃圣國.智能磁航向傳感器的研制及誤差補償算法分析[J].北京航空航天大學學報，2004;30(3):244～248
5 林繼鵬，王 君，凌振寶等.HMC1001型磁阻式傳感器及應用[J].傳感器技術,2002；21(3):51～52
6 裴 軼,虞南方,劉奇等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應用[J].儀表技術與傳感器，2004;(8)：26～28